KR100421722B1 - 이온분산법에 의한 철계 부분확산 합금분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0.5 내지 5.0중량%의 구리가 함유된 질산구리 수용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온분산시키고, 이온분산된 혼합물을 100 내지 130℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻고, 이와 같이 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 6시간 동안 환원시키고, 환원되어 엉긴 혼합분말의 입자덩어리를 100내지 250메쉬의 입자 사이즈로 파쇄시켜서 Fe-Cu 부분확산 합금분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 부분확산 합금분말은 압축성이 우수하고 성형성이 양호하고, 부분확산 합금분말 소결체의 강도, 경도, 인성도 크게 증가시킬 수 있고, 편석이 없고 균일한 철계 합금분말을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 금속분말을 용융하지 않고 용융점이하의 온도에서 분해 및 환원해서 합금 및 분말화할 수 있어 제조코스트를 절감할 수 있음과 동시에, 제조 시설비도 적게 소요된다.

Description

이온분산법에 의한 철계 부분확산 합금분말의 제조방법{A MANUFACTURING METHOD OF PARTIAL DIFFUSION PREALLOY BY IONIC DISPERSION PROCESS}

본 발명의 모금속 분말에 합금하고자 하는 금속염을 수용액으로 하여 모금속 표면에 금속이온으로 확산시킨 후, 환원성이 있는 수소기체를 이용하여 고온에서 환원시킴으로써 금속염이 분해되면서 금속으로 환원되며, 환원된 금속이 모금속 분말입자의 표면에 부분적으로 합금화할 수 있는 철계 부분확산 합금분말의 제조방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철계 합금분말을 제조할 때 모금속인 철분말에 합금하고자 하는 구리염인 질산구리를 수용액으로 용해하여 철분말 표면에 구리이온을 확산시킨 후, 환원기체인 수소분위기하의 800 내지 980℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 고온 환원시키면 구리이온이 열분해 및 환원반응에 의하여 구리 금속으로 환원되면서 철분말 입자 표면에 일부 확산 합금되거나 미세한 구리입자가 부착되어 철계 부분확산 합금분말을 제조할 수 있는 철계 부분확산 합금분말의 제조방법에 관한 것이다.

종래로 부터 순수한 철분말로 제조한 소결부품은 부식성이 크며 인장강도, 경도 등 기계적 특성이 미약하며, 이들 소결품의 특성을 향상시키기 위하여 2가지이상의 금속을 용융시켜 합금화한 후 합금성분의 용탕을 분사시켜 합금분말을 제조하고 있었으나, 이러한 완전합금분말은 개개의 분말입자 조성이 균일하기는 하지만, 단일금속에 비하여 고용화되어 있으므로 분말입자의 경도가 강하고 또 압축성이 저하되어 성형특성 및 소결 특성이 뒤떨어진다는 문제점이 있었다.

그리고, 철-구리 합금소결체를 제조할 때 소결체의 특성을 향상시키기 위하여 철분말에 적당량의 구리분말을 물리적으로 혼합하여 사용하는 경우도 있지만 밀도차에 의해 편석이 일어나기 쉽고 합금조성이 균일하지 못하다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 편석이 없고 균일한 혼합합금을 얻을려면 철분말표면에 무전해도금법에 의하여 구리를 도금시킨 철-구리 합금을 제조해서 사용되고 있으나, 무전해도금법은 제조비용이 많이 들고 공정이 복잡하다는 문제점이 있으므로, 특수한 용도로만 일부 사용되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 감안해서 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 강도 및 경도가 강하고 압축성 및 소결특성을 향상시킬 수 있는 철계 부분확산 합금분말의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 편석이 없고 균일한 철계 합금을 제조할 수 있는 철계 부분확산 합금분말의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 금속분말을 용융하지 않고 용융점이하의 온도에서 분해 및 환원해서 합금화할 수 있고, 또 제조코스트를 절감할 수 있음과 동시에, 제조 시설비도 적게 소요되는 철계 부분확산 합금분말의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산화철분말

입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0,5 내지 5.0중량%의 구리가 함유된 질산구리 수용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온분산시키는 분산단계와, 상기 분산단계에서 이온분산된 혼합물을 100 내지 130℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻는 수득단계와, 상기 수득단계에서 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 6시간 동안 환원시키는 환원단계와, 상기 환원단계에서 환원되어 엉긴 혼합분말을 특정 입도로 해립시켜서 (입자 덩어리를 100내지 250메쉬의 입자사이즈로 파쇄시켜서) Fe-Cu계 부분확산 합금분말을 제조하는 합금분말 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0.5 내지 5.0중량%의 Cu를 함유하는 질산구리 용액, 0.5 내지 2.0중량%의 Ni이 함유된 질산니켈용액, 0.1 내지 1.25중량%의 Mo이 함유된 몰리브덴염(몰리브덴산 암모늄)을 혼합한 수용액을 넣어 이온으로 분산시키는 분산단계와, 상기 분산단계에서 분산된 이온을 100 내지 120℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻는 수득단계와, 상기 수득단계에서 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 4시간 동안 고온환원시켜 합금화시키는 합금화단계와, 상기 합금화단계에서 환원 되어 엉긴 혼합분말입자 덩어리 냉각시키는 냉각단계와, 상기 냉각단계에서 냉각 되어 엉긴 혼합분말 입자 덩어리를 100메쉬 내지 250메쉬의 입자사이즈로 파쇄시켜서 Fe-Cu-Ni-Mo 부분확산 합금분말을 제조하는 합금분말 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 압축성형이 양호하면서도 합금의 우수한 특성을 부여하기 위하여 모금속 분말에 이온확산법에 의하여 합금성분 금속염을 분산시키고 환원제인 수소기체 분위기하에서 고온환원시켜 금속염의 열분해 및 환원반응에 의하여 모금속 분말입자의 표면에 부분확산이 진행되어 분말입자 표면이 합금화되거나 미세한 합금금속 입자가 부착된 부분확산 합금분말을 제조하였다.

이와 같이 제조한 철-니켈 부분확산 합금분말은 압축성이 매우 양호하면서도 편석이 전혀 일어나지 않았으며 합금의 특성도 크게 향상되었다. 즉, 철-구리 부분확산합금의 제조의 경우 철분말에 합금하고자 하는 구리성분으로서 황산구리, 질산구리 등을 수용액으로 하여 이온확산시킨 후, 환원 기체인 수소분위기하의 800 내지 980℃의 온도에서 2 내지 6시간 동안 고온 환원시켰다.

이때, 황산구리, 질산구리 등은 열분해 및 환원반응에 의하여 구리금속으로 환원되면서 철분말 입자표면에 부분확산되어 철-구리 부분확산 합금 분말을 제조하였다.이러한 철-구리 부분확산 합금분말은 압축성형성이 매우 양호하면서도 소결체의 특성인 강도, 경도 등이 크게 향상됨을 확인 할 수 있었다. 특히 본 발명자들은 상술한 철계의 부분확산 합금분말을 제조할 때 모금속인 철분말 대신 산화철분말을 사용할 수 있음을 동시에 확인하였다.

수소분위기에서 고온환원할 때 산화철분말이 환원되어 철분말로 되며, 이온확산시킨 합금금속염도 열분해 및 환원반응에 의하여 환원 된 철분말표면에 부분확산합금화가 형성되므로 철의 합금인 경우 철분말 대신 산화철 분말을 사용할수 있었다.

이와 같이 제조한 철-구리 부분확산 합금분말을 직경이 8.5mm인 원통형 금형에 1.0g씩 넣고 500Kg/㎠의 압력으로 원형판 형상의 펠렛(디스크)을 형성하여 1,050℃내지 1,150℃의 수소분위기로에서 40분간 소결한 소결품의 특성은 구리의 함량이 0.5중량％부터 경도(HRb 23)가 증가하여 구리의 함량이 3.5중량％에서는 경도가 54HRb로써 크게 증가하였으며, 특히 구리함량이 3.5중량％에서는 소결체의 밀도가 6.76/㎤였으며 수축율은 -0.02％로써 소결품의 특성이 매우 양호하였으며 구리함량이 3.5중량％에서 5.0중량％까지는 경도가 계속 증가하여 58HRb까지 이르렀으나 동팽창현상에 의하여 소결 밀도도 감소하였다.

또한, Fe-Cu-Ni-Mo 부분확산 합금분말을 상술한 방법과 같이 제조하고 압축성형한 소결품의 특성을 조사하여 본 결과, 구리의 함량을 2.5중량％로 고정하고 니켈의 함량을 증가시켰을 경우, 니켈금속의 함량이 1.75중량％까지는 소결성이 양호하여 소결체 밀도가 7.08g/㎤까지 증가하였으나 수축율은 -0.13％로써 소결체의 크기가 수축되었다. 니켈금속의 함량이 2.0중량％에서는 소결밀도가 7.21g/㎤까지 증가되었으나 수축율이 -0.21％까지 이르러 소결품의 칫수변화에 영향이 있었다.

구리의 함량을 2.5중량％, 니켈의 함량을 1.75중량％를 고정하고, 몰리브덴 함량을 증가하여 본 결과 몰리브덴의 함량이 0.5중량％까지는 경도가 98HRb까지 크게 증가 하였다. 또한, 몰리브덴의 함량이 1.25중량％까지 경도는 117HRb까지 향상되었으나 성형 소결성이 좋지 못하여 소결과정에서 온도편차에 따른 소결밀도 및 치수의 변화가 불균일 하였다.

이와 같이 이온학산법에 의하여 제조된 부분확산 합금분말은 압축성형성이양호하며 물리적 혼합법에 비하여 편석이 일어나지 않으며, 분말야금법에 의한 소결부품의 제조 및 특성향상에 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

<실시예 1>

입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0,5 내지 5.0중량%의 구리가 함유된 질산구리 수용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온분산시킨 후, 100 내지 130℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻었다. 이와 같이 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 6시간 동안 환원시킨 후, 엉긴 혼합분말 입자 덩어리를 100메쉬 내지 250메쉬의 입자 사이즈로 파쇄시켜서 철계 부분확산 합금분말을 제조하였다.

이와 같이 제조한 Fe-Cu 부분확산 합금분말에 0.8% 흑연 및 0.6% 스테아린산아연을 혼합하고 직경이 8.5mm 원통형 금형에 1.0g씩의 부분확산 합금분말을 넣고 500kg/cm²의 압력으로 원형판 형상의 펠렛(디스크)을 성형하여, 1050 내지 1150℃의 수소분위기로에서 30분 내지 50분간 소결하여 소결품을 제조하였다.

이때, 제조한소결부품의밀도를 일본국 닛세이(Nissei)회사제 전자밀도측정기(모델명 ;TS 40)를 사용하여 측정한 결과, 밀도는 6.64 내지 6.7g/cm 이며, 한국 세기과학사제품 로크웰 경도기(모델명 ; SGR-202)를 사용하여 경도를 측정하였더니, 경도는 HRb 54 내지 58이었으며, 일본국 히타치사제품 디지털 마이크로미터를 사용하여 MPIF standard 44 규정에 따라 수축율을 측정하였더니, 수축율은 -0.02%로써 순수철 소결품의 밀도(6.5 내지 6.6g/㎤), 경도(HRb 5 내지 20)에 비하여 소결특성이 매우 우수하였다.

<실시예 2>

입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0.5 내지 5.0중량%의 Cu를 함유하는 질산구리 용액, 0.5 내지 2.0중량%의 Ni이 함유된 질산니켈용액, 0.1 내지 1.25중량%의 Mo이 함유된 몰리브덴산 암모늄과 이소부틸알콜을 혼합한 수용액을 넣어 이온으로 분산시키고 나서, 100 내지 120℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻었다. 이와 같이 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 4시간 동안 고온환원시켜 합금화를 진행시켰으며, 냉각후, 특정 입도로 해립시켜서 Fe-Cu-Ni-Mo 부분확산 합금분말을 제조하였다.여기에서,특정 입도로 해립(解粒)시킨다는 의미는 상기 혼합분말을 수소환원 분위기에서 소결하여 고온환원 시켜서 합금화된 엉긴 혼합분말의 입자를 산화철분말의 입자사이즈, 즉 100내지 250메쉬의 입자사이즈로 파쇄하는 것을 말한다.

이와같은 제조한 Fe-Cu-Ni-Mo 부분확산합금분말에 0.8%흑연, 0.6% 스테아린산 아연을 혼합하고 직경이 8.5mm인 원통형 금형에 1.0g씩 넣고 500kg/cm²의 압력으로 원형판 형상의 펠렛(디스크)을 성형하여, 수소분위기하에서 1050 내지 1150℃의 온도로 30 내지 50분간 소결하여 소결품을 제조하였다.

이 때 제조한 소결품의 밀도는 7.01 내지 7.21g/cm³이며, 경도는 HRb 96 내지117이며, 수축율은 -0.03%로써 소결특성이 우수하였다. 또한 본 발명은 완전용융금속을 만들고, 다시 분말화해야 하는 종래의 방법에 비하여 성분을 미국 윌슨사 제품 성분 분석기(모델명;ICP(KW30)를 사용하여 성분을 분석한 결과, 앞에서 설명한 바와 같이 성분이 일정하였으며 제조공정이 간단하고, 제조비용을 크게 절감할 수 있다(이 실시예에서 사용한 모든 측정기는 실시예1에서 사용한 측정기를 사용하였음).상기 실시예에 있어서, 질산구리 수용액에 0.5중량%미만의 구리가 함유되어 있을 경우에는 인장강도가 약해져서 바람직하지 못하고, 질산구리 수용액에 5.0중량%이상의 구리가 함유되어 있으면 소결시에 구리의 팽창에 의해 부피가 증가되어 소결체의 밀도 감소로 인해 바람직하지 못하다. 그리고, 질산니켈용액에 0.5중량%미만의 니켈이 함유되어 있을 경우에는 소결성을 향상시킬수 없어서 바람직하지 못하고,질산니켈용액에 2.0중량%이상의 니켈을 함유하고 있을 경우에는 소결체에 수축이 많이 발생해서 일정한 사이즈의 소결체(성형품)를 얻을수 없어서 바람직하지 못하다.또한, 상기 실시예에 있어서, 몰리브덴산 암모늄용액에 0.1중량%미만의 몰리브덴(Mo)이 함유되어 있을 경우에는 소결체의 경도가 너무 약해져서 바람직하지 못하고, 몰리브덴산 암모늄용액에 1.25중량%이상의 몰리브덴을 함유하고 있을 경우에는 소결체의 경도가 너무 강하여 부서지는 성질(박성)이 나타나서 바람직하지 못하다.

상기 설명에 있어서 특정 실시예를 예로 들어서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위내에서 여러 가지로 변형해서 실시하는 것도 본 발명의 개념에 포함되는 것은 물론이다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 이온확산법에 의한 부분확산 합금분말의 제조방법에 의하면, 산화철분말에 합금하고자 하는 금속염 수용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온분산시키고, 이온분산된 혼합물을 100 내지 130℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻고, 이와 같이 해서 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 6시간 동안 환원시키고, 환원되어 엉긴 혼합분말의 입자 덩어리를 100메쉬 내지 250메쉬의 입자사이즈로 파쇄시켜서 철계 부분확산 합금분말을 제조하므로, 제조된 부분확산 합금분말은 압축성이 우수하고 성형성이 양호하고, 부분확산 합금분말 소결체의 강도, 경도, 인성도 크게 증가시킬 수 있고, 편석이 없고 균일한 철계 합금분말을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 금속분말을 용융하지 않고 용융점이하의 온도에서 분해 및 환원해서 합금 및 분말화할 수 있어 제조코스트를 절감할 수 있음과 동시에, 제조 시설비도 적게 소요된다는 등의 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims (2)

1. 부분확산 합금분말의 제조방법에 있어서,

   입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0,5 내지 5.0중량%의 구리가 함유된 질산구리 수용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온분산시키는 분산단계와,

   상기 분산단계에서 이온분산된 혼합물을 100 내지 130℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻는 수득단계와,

   상기 수득단계에서 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 6시간 동안 환원시키는 환원단계와,

   상기 환원단계에서 환원되어 엉긴 혼합분말의 입자 덩어리를 100내지 250메쉬의 입도로 분쇄시켜서 Fe-Cu 부분확산 합금분말을 제조하는 합금분말 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온분산법에 의한 철계 부분확산 합금분말의 제조방법.
2. 부분확산 합금분말의 제조방법에 있어서,

   입자 사이즈가 100 내지 250메쉬인 산화철분말에 0.5 내지 5.0중량%의 Cu를 함유하는 질산구리 용액, 0.5 내지 2.0중량%의 Ni이 함유된 질산니켈용액, 0.1 내지 1.25중량%의 Mo이 함유된 몰리브덴산 암모늄 용액과 이소부틸알콜을 혼합하여 이온으로 분산시키는 분산단계와,

   상기 분산단계에서 분산된 이온을 100 내지 120℃의 오븐에서 50분 내지 60분 동안 건조시켜서 혼합분말을 얻는 수득단계와,

   상기 수득단계에서 얻은 혼합분말을 800 내지 980℃의 수소환원분위기로에서 2시간 내지 4시간 동안 고온환원시켜 합금화시키는 합금화단계와,

   상기 합금화단계에서 환원되어 엉긴 혼합분말입자 덩어리를 냉각시키는 냉각단계와,

   상기 냉각단계에서 냉각되어 엉긴 혼합분말의 입자 덩어리를 100내지 250메쉬의 입자사이즈로 파쇄시켜서 Fe-Cu-Ni-Mo 부분확산 합금분말을 제조하는 합금분말 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온분산법에 의한 철계 부분확산 합금분말의 제조방법.